一種應(yīng)用于淺表層腫瘤的微波熱療輻射器的設(shè)計*

孫 兵，陸曉峰，曹 毅

1 蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇，蘇州，215021

2 蘇州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇，蘇州，215021

3 蘇州大學(xué)放射與公共衛(wèi)生學(xué)院，江蘇，蘇州，215021

一種應(yīng)用于淺表層腫瘤的微波熱療輻射器的設(shè)計*

【作 者】孫 兵1，陸曉峰2，曹 毅3

1 蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇，蘇州，215021

2 蘇州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇，蘇州，215021

3 蘇州大學(xué)放射與公共衛(wèi)生學(xué)院，江蘇，蘇州，215021

目的 設(shè)計一個工作頻率2.45 GHz，結(jié)構(gòu)為單矩形貼片的微波熱療輻射器。方法 基于微帶天線理論，設(shè)計輻射器參數(shù)，并在HFSS上建立仿真模型并進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果 設(shè)計的輻射器首先經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，滿足設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)；在輻照實驗中，采用紅外熱像儀測溫，給出功率為30 W、照射距離30 mm、加熱持續(xù)時間15 min時的仿真體模的熱場分布圖。熱場分布3D圖顯示熱場中心區(qū)域徑向直徑小，透熱深度深。結(jié)論 該輻射器輸出的微波能量可以準(zhǔn)確到達(dá)淺表層腫瘤，而不損傷周圍的正常組織。

微波輻射器；淺表層腫瘤；微帶；熱場分布

腫瘤微波熱療是在微波輻照下腫瘤組織吸收微波能，使腫瘤組織溫度上升到有效治療溫度，并維持一段時間，殺死腫瘤細(xì)胞而又不損傷正常細(xì)胞的一種治療方法[1]。由于癌變組織的介電常數(shù)與電導(dǎo)率高于正常組織，如位于淺表層的乳腺腫瘤，是正常胸部組織的三倍，在受到微波照射時，腫瘤組織的溫升比周圍正常組織的溫升要高出約 1～3℃[2]。通常發(fā)生在乳房腺上皮組織的乳腺惡性腫瘤，是一種嚴(yán)重影響婦女健康甚至危及生命的最常見的惡性腫瘤之一，屬于體表腫瘤，熱能易于到達(dá)，因此對體表直接進(jìn)行加熱是一種較為有效的治療方法。由于微波的穿透深度與頻率有關(guān)，因此本文設(shè)計的輻射器頻率選擇為2.45 GHz。

輻射器又稱為天線。由于熱療中要求天線輻射的微波能量準(zhǔn)確聚焦在腫瘤體，需要采用聚焦能力強的天線，如喇叭天線，但是其體積較笨重和重量較大，臨床上輻射器的位置不易精確控制；微帶天線雖然聚焦能力不及喇叭天線，但是微帶天線具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單和平面結(jié)構(gòu)易于生物組織共形等優(yōu)點，在治療中可以貼近乳房，這樣腫瘤在輻射器的近場，可以克服微帶輻射器聚焦能力較弱的缺點。本文研制為工作頻率2.45 GHz矩形單貼片微帶結(jié)構(gòu)的微波輻射器，經(jīng)仿真、測試和熱實驗等方法分析表明，可應(yīng)用于乳腺腫瘤的熱療。

1 方法

1.1 輻射器的設(shè)計

微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線。它通過微帶線或同軸線等饋線饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。由于乳房體積較小，乳腺腫瘤位置較淺，要求輻射器體積小、輻射效率高，而微帶結(jié)構(gòu)的輻射器具有剖面薄、體積小和重量輕等特點，能滿足這些要求。但是其頻帶寬度較窄，在臨床使用時對微波信號源的精度要求高，否則將影響輻射位置和劑量的準(zhǔn)確性。

矩形貼片尺寸為a×b，介質(zhì)基片厚度為h，且h＜＜λ0，λ0為微波自由空間波長。貼片單元長度、寬度的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗，因而影響微帶天線的頻帶寬度與輻射效率。在圖1所示的模型中，對矩形貼片尺寸a、b計算如下[3]：

其中f0是諧振頻率，εr是介質(zhì)基片相對介電常數(shù)，c是光速；

其中λg＝_為等效電磁波波長，等效介電常數(shù)△a為等效延伸長度，依據(jù)下式計算：

圖1 矩形微帶結(jié)構(gòu)輻射器的模型Fig.1 Model of single rectangle sheet structure applicator

常規(guī)的單貼片微帶天線的帶寬為0.6～3%。在微帶天線中，帶寬（bandwidth）與天線總的品質(zhì)因素Q的關(guān)系為[4]：

其中VSWR(voltage standing wave ratio)為天線的駐波比。天線總的品質(zhì)因素為

Qr為輻射損耗引起的品質(zhì)因素，Qc為導(dǎo)體損耗引起的品質(zhì)因素，Qd為介質(zhì)損耗引起的品質(zhì)因素，Qsw為表面波損耗引起的品質(zhì)因素。展寬頻帶的方法，由式（4）可知，當(dāng)VSWR一定時，帶寬與Q成反比，因此若要提高天線的帶寬，需要降低輻射器的Q。僅從對Qd（其中Qd=，tan δ是介質(zhì)損耗角正切）分析可知，當(dāng)介質(zhì)基板的相對介電常數(shù) εr較小時，可增強產(chǎn)生輻射的邊緣場，增加帶寬。通常Qr比Qc、Qd、Qsw小，所以Q通?？梢杂肣r作近似估計：

式中的Gr為矩形貼片天線的等效輻射電導(dǎo)。

1.2 數(shù)值計算與仿真

由上述分析可得，微帶天線的品質(zhì)因素Q和微帶天線的介質(zhì)基板厚度h、介質(zhì)基板介電常數(shù)εr、貼片的形狀等有關(guān)。本文設(shè)計的一種單貼片微帶天線，由導(dǎo)體薄片、介質(zhì)層和接地底板三部分構(gòu)成，天線的工作頻率f = 2.45 GHz，在Ansoft 公司開發(fā)的高頻電磁仿真軟件HFSS.10上建立模型，并對部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。天線的參數(shù)選擇如下：矩形貼片尺寸a=310 mm、b=310 mm，介質(zhì)基片直徑r=70 mm，厚度h=6.5 mm，選擇的εr=3.48±0.05的RO4350高頻線路板材料制作印刷板，在Ansoft公司的高頻電磁仿真軟件HFSS上建立仿真模型并計算，得到仿真微帶天線的指標(biāo)。當(dāng)VSWR＜2時，矩形貼片微帶天線的帶寬BW=120 MHz，相對帶寬為4.9%，在E面圖中Dmax為，6dBi。

2 結(jié)果

2.1 指標(biāo)測試

采用Agilent公司的N5230矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及Model MF-7802多功能定位控制器對研制天線的指標(biāo)測試，在EMC電磁屏蔽室進(jìn)行。下面是對天線的測試指標(biāo)（測試頻帶范圍：2～3 GHz），如圖2。

圖2 微帶結(jié)構(gòu)輻射器測試的主要指標(biāo)Fig.2 Test index of single rectangle sheet structure applicator

當(dāng)V S W R＜2時，矩形貼片微帶天線的帶寬BW=85MHz，相對帶寬為3.47%，方向圖中，Dmax=5.6 dBi，與仿真模型的指標(biāo)比較，基本相符。

2.2 熱場分布研究

生物組織在吸收微波能量后，宏觀上表現(xiàn)為溫度的升高，組織內(nèi)溫度的變化與組織的電磁參數(shù)、熱物性參數(shù)及微波輻射參數(shù)等都密切相關(guān)。定量描述生物組織對微波電磁場吸收的物理量為比吸收率SAR（specific absorption rate），其定義為[5]：

式中第一項是導(dǎo)電引起的能量轉(zhuǎn)換，第二項是介質(zhì)極化滯后所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換。其中ρ為生物組織的體密度，σ 為生物組織的總電導(dǎo)率，ε" 為損耗因子，σe= σ+ωε" 稱為生物組織的總電導(dǎo)率，E為生物組織當(dāng)前位置的電場強度。

2.2.1 電場強度的分布

電場強度的測試裝置如圖3(a)，實驗設(shè)備為北京森馥科技有限公司的輸出功率可調(diào)的信號源，PMMEP330電場強度測試探頭，PMM8053電磁輻射分析儀，實驗在GTEM電磁輻照室進(jìn)行。

圖3 微帶天線電場測試Fig.3 Testing Electric-Field Intensity of microstrip applicator

首先，對研制的微帶天線的電場強度的空間分布進(jìn)行測試。由于向任意方向傳播的均勻平面電磁波的電場強度E=E0e-jad(V/m)[6]，對圖3(b)中的電場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，與電磁波在損耗媒質(zhì)中傳播的規(guī)律相符。

圖4 熱場分布的實驗裝置與熱像圖Fig.4 Experimental facility and Infrared figure of thermal distribution

2.2.2 熱場的分布

微波加熱生物組織的一維模型如圖4(a)所示，仿生體模為植物蛋白質(zhì)、MgSO4、NaCl和水按一定比例，壓制成厚2 mm的層片，取20層疊置成高度是40 mm的體模塊。體模分析采用圓柱坐標(biāo)。微波輻照后，按疊放順序由上而下依此迅速揭開各層體模，用NEC TH5108ME紅外熱像儀拍攝每層體模，就可得到各層的熱像圖，溫度精度為±0.1℃。實驗條件為：天線輸入功率P=30 W，輻照持續(xù)時間t=15 min，輻照距離D=30 mm，環(huán)境溫度T0=16.3℃。圖4(b) 所示為熱場分布的測試裝置和測試瞬時拍攝的第5層體模的熱像圖。熱像圖中可設(shè)置光標(biāo)a，a移動時可以實時給出熱像圖中當(dāng)前位置的溫度值。

圖5 輻照后各層23.3oC等溫線Fig.5 3D and 2D distribution of 23.3oC isotherm in simulation tissue after radiation

當(dāng)腫瘤體內(nèi)的溫度上升至42.5℃時，高熱具有能抑制腫瘤細(xì)胞的DNA、RNA及蛋白質(zhì)合成，使腫瘤細(xì)胞骨架散亂，發(fā)生細(xì)胞許多重要功能受損等的作用。由于人體正常體表溫度為35.5℃，與治療的溫度差為△T =7℃。加熱實驗中，環(huán)境溫度T0=16.3℃，在拍攝的各層熱像圖中截取T=23.3℃的等溫線數(shù)據(jù)，如圖4(c)所示，等溫線區(qū)域近似圓形。將各層合成得到圖5所示的三維與二維熱場分布圖。圖5(a) 三維的熱場分布近似一紡錘形，透熱深度可達(dá)30 mm，對于分布位置較淺的乳腺腫瘤，這可以滿足治療要求；而且，在距離體表深度10 mm處，23.3oC的等溫線區(qū)域直徑最大，經(jīng)測量，最高溫度Tmax達(dá)40.1oC。圖5(b) 二維熱場給出熱域的徑向分布，23.3oC的等溫線區(qū)域直徑最大為30 mm。熱實驗表明該輻射器可以滿足乳腺腫瘤的治療。

3 結(jié)論

本文設(shè)計制作的用于淺表層腫瘤熱療的矩形貼片微帶天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小和加熱效率高等特點，經(jīng)測試其性能指標(biāo)可以滿足諸如乳腺等淺表腫瘤熱療的需求。當(dāng)腫瘤體的體積較大和位置較深時，可以采用相控陣輻射器，該輻射器也是陣元的較好選擇。由于微帶天線的帶寬較窄，治療過程中對微波信號發(fā)生器的精度要求較高，而且方向性較差，需要聚焦設(shè)備提高其聚束能力。因此，研究寬帶的聚束能力強的微帶天線，成為當(dāng)前臨床熱療輻射器的開發(fā)方向。

[1] M. F. J. Cepeda, A. Vera, L. Leija. Electromagnetic Hyperthermia Ablation Devices for Breast Cancer: State of the Art and Challenges for the Future[C]. 2009 Pan American Health Care Exchanges – PAHCE. Conference (Mexico City), 99-103.

[2] Chaudhary S S, Mishra R K, Swarup A, Thomas J M. Dielectric Properties of normal and malignant human breast tissues at radiowave and microwave frequencies[J]. Biochem. Biophys. 1984, 21: 76～79.

[3] 鐘順時. 微帶天線的理論與應(yīng)用[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1991.

[4] Byungje Lee, Harackiewicz. Miniature microstrip antenna with a partially filled high—permittivity substrate[J]. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2002, 50( 8):1160-1162.

[5] Paul R. Stauffer, Francesca Rossetto, Marco Leoncini, et al. Radiation Patterns of Dual Concentric conductor Microstrip Antennas for Superficial Hyperthermia[J]. IEEE Trans. Biomedical Eegineering 1998, 45(5): 605-613.

[6] Harold R. Underwood, Andrew F. Peterson, Richard L. Magin. Electric-Field Distribution Near Rectangular Microstrip Radiators for Hyperthermia Heating: Theory Versus Experiment in Water[J]. IEEE TRANS. BIOMEDICAL ENGINEERING, 1992, 39(2): 146-153.

Design of an Microwave Applicator Using for Tumor in Superf i cial Layer

【W(wǎng)riters】Sun Bing1, Lu Xiaofeng2, Cao Yi3

1 School of Electronics and Information, Soochow University, Suzhou, 215021
2 School of Computer Science & Technology, Soochow University, Suzhou, 215021
3 Institute of Radiation Medicine and Public Health, Soochow University, Suzhou, 215021

Objective A 2.45GHz microstrip applicator using single rectangle sheet structure is presented. Methods Based on the radiant principle of microstrip antenna, the applicator’s parameter is designed and the simulating model is set and optimized in HFSS. Results Measured by network analyzer, the technical target of this applicator is complied with design demand. During irradiation experiment, based on 30 W power, 30 mm radiation distance and 15 min duration experiment condition, the thermal fi eld distribution map of phantom is obtained from the far-infrared image instrument. The 3D map shows that the region of thermal fi eld centre has small radius and deep heat penetration. Conclusion The microwave energy from this applicator can reach the tumor in super fi cial layer without heat injuring normal tissue around it.

microwave applicator, tumor in super fi cial layer, microstrip, thermal fi eld distribution

O451，O551.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2010.03.012

1671-7104(2010)03-0198-04

2010-03-02

江蘇省高校自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項目資助（08KJB510019）

孫兵（1968-），女（漢），副教授，研究方向為微波天線與生物電磁學(xué)。E-mail: sunbing@suda.edu.cn